Grundlagen der BLDC-Motorsteuerung mit Simulationsbeispielen

Wichtigste Erkenntnisse

• Durch die sechsstufige Trapezkommutierung bleibt der Schaltmechanismus sichtbar, was diesen Antrieb zum idealen Einstiegsmodell für alle macht, die sich gründlich mit der Motorsteuerung vertraut machen möchten.
• Die Drehmomentwelligkeit in einem Sechs-Stufen-Antrieb entsteht durch Stromüberlappungen an jedem der sechs Kommutierungszeitpunkte und nicht durch eine schlechte Abstimmung des Reglers.
• Hallsensor- und sensorlose Gegen-EMK-Verfahren unterscheiden sich vor allem beim Anfahren, und dieser einzige Unterschied ist für die Wahl des Sensors in den meisten Serienantriebssträngen ausschlaggebend.

Ein bürstenloser Gleichstromantrieb schaltet den Strom zum richtigen Rotorwinkel zwischen den Wicklungen um, und jede konstruktive Entscheidung hängt davon ab, wie gut diese Umschaltung zeitlich abgestimmt ist.

Elektromotorsysteme machen 53 % des weltweiten Stromverbrauchs aus, daher ist die Schaltlogik in einem Dreiphasen-Wechselrichter kein Nischenthema. Am deutlichsten lässt sich diese Logik bei der sechsstufigen Trapezsteuerung erkennen, da jede Kommutierung ein eigenständiges Ereignis ist, das man auf einer Oszilloskopkurve genau lokalisieren kann.

Drehmomentwelligkeit ist kein Fehler, den man später bei einem Sechs-Stufen-Antrieb einfach wegoptimieren kann. Sie ist das rechnerische Ergebnis endlicher Stromanstiegs- und -abfallzeiten an jedem der sechs Schaltzeitpunkte, und ein Simulationsprüfstand ist der einzige Ort, an dem man sie messen kann, bevor man einen Leistungsprüfstand benutzt.

Was unter der Steuerung eines BLDC-Motors zu verstehen ist und wie die Kommutierung funktioniert

Die Steuerung eines BLDC-Motors erfolgt durch elektronische Kommutierung. Ein Dreiphasen-Wechselrichter speist zu jedem Zeitpunkt zwei der drei Statorwicklungen mit Strom und schaltet je nach Drehung des Rotors abwechselnd die beiden Paare, sodass das Statorfeld dem Rotor um etwa 90 elektrische Grad voraus ist und das Drehmoment nahezu auf dem Maximalwert bleibt.

Der „ hardware “ besteht aus sechs Schaltern in drei Halbbrücken. Sechs gültige Leitungszustände decken eine elektrische Umdrehung ab, wobei jeder Zustand 60 elektrische Grad lang aufrechterhalten wird. Ein 4-poliger Motor dreht sich mit zwei elektrischen Umdrehungen pro mechanischer Umdrehung, sodass eine Welle mit 3000 U/min vom Umrichter 600 Kommutierungsvorgänge pro Sekunde erfordert.

Die Zweiphasen-Leitung funktioniert aufgrund der Form der Gegen-EMK. Eine BLDC-Maschine ist so gewickelt, dass ihre Gegen-EMK trapezförmig verläuft und bei etwa 120 elektrischen Grad einen flachen Scheitelpunkt aufweist; ein konstanter Strom in diesem Bereich sorgt für ein konstantes Drehmoment. Maschinen, die für eine sinusförmige Gegen-EMK gewickelt sind, verhalten sich nicht so – daher die Bezeichnung BLDC oder PMSM.

Wie die sechsstufige trapezförmige Kommutierungssequenz den Wechselrichter antreibt

Die Steuerung durchläuft für eine Drehrichtung sechs Schalterpaare in einer festgelegten Reihenfolge. In jedem Zustand wird eine Wicklung an die Plus-Schiene und eine andere an die Minus-Schiene angeschlossen, während die dritte nicht angeschlossen ist; die Abfolge wechselt alle 60 elektrischen Grad des Rotorweges um einen Zustand weiter.

Die Drehzahlregelung baut auf dieser Abfolge auf. Der High-Side-Schalter wird mit 10 bis 20 kHz pulsweitenmoduliert, während der Low-Side-Schalter des leitenden Paares eingeschaltet bleibt, sodass die durchschnittliche Wicklungsspannung dem Tastverhältnis folgt und ein Stromregler den Messwert eines Gleichstrom-Bus-Shunts nachführt. Kehrt man die Reihenfolge um, dreht sich die Welle rückwärts. Wird durch eine fehlgeschlagene Positions Vorteil ein Zustand übersprungen, blockiert der Motor, da zwei Wicklungen gegeneinander arbeiten. Aus diesem Grund handelt es sich bei einem Fehler, der erst ab 2000 U/min auftritt, fast immer um ein Timing-Problem und nicht um ein Sequenzproblem.

Wie die Hall-Sensor-Kommutierung die Rotorposition in 6 ermittelt Branchen

Drei Hall-Effekt- Sensor-und Datenfusion , die im Abstand von 120 elektrischen Grad angeordnet sind, erzeugen einen 3-Bit-Code, der sich pro elektrischer Umdrehung sechsmal ändert. Jeder gültige Code wird über eine Nachschlagetabelle genau einem Inverterzustand zugeordnet, sodass die Steuerung keine Winkelberechnung durchführen muss.

Diese Nachschlagetabelle stellt den gesamten Positionsschätzer dar. Die Codes 101, 100, 110, 010, 011 und 001 erscheinen in einer festen Reihenfolge, während 000 und 111 auf einen defekten Sensor oder eine fehlerhafte Verkabelung hinweisen. Wird die Sensorplatine um 5 mechanische Grad versetzt montiert, verschiebt sich jeder Kommutierungszeitpunkt um denselben elektrischen Fehler, was sich in einem höheren Stromverbrauch bei gleicher Leistung niederschlägt.

Die Auflösung ist die tatsächliche Grenze. Sechs Flanken pro elektrischem Zyklus bedeuten, dass die Position auf 60 Grad genau bekannt ist – eine feinere Auflösung ist nicht möglich. Daher wird die aus dem Vorteil -Timing abgeleitete Drehzahl unterhalb einiger hundert U/min ungenau. Das Hinzufügen eines vierten Sensors bringt keine Verbesserung unterstützen. Labore, die eine feinere Positionsbestimmung benötigen, greifen auf einen Encoder oder einen Resolver zurück.

„Diese Nachschlagetabelle ist der gesamte Positionsschätzer.“

Die sensorlose Kommutierung mittels Gegen-EMK tauscht eine „ Sensor-und Datenfusion “ gegen Komplexität beim Anfahren ein

Bei der sensorlosen Kommutierung wird die Gegen-EMK an der potentialfreien Wicklung gemessen, der Moment erfasst, in dem sie die Nullspannung kreuzt, und anschließend 30 elektrische Grad abgewartet, bevor in den nächsten Zustand gewechselt wird. Die nicht angeschlossene Phase fungiert als eigener Positionssensor, sodass die Hall-Platine und ihre Verkabelung entfallen.

Die Nulldurchgangserkennung verläuft selten störungsfrei. Durch das PWM-Chopping in den leitenden Phasen wird Rauschen in die potentialfreie Wicklung eingekoppelt, weshalb bei der Umsetzung die Abtastung ausschließlich während der PWM-Aus-Zeit erfolgt oder nach jeder Kommutierung ein Ausblendefenster von mehreren zehn Mikrosekunden angewendet wird.

Der Stillstand ist die eigentliche Einschränkung. Ein stillstehender Rotor erzeugt keine Gegen-EMK, daher richtet der Antrieb den Rotor mit einem festen Stromvektor aus und erhöht die Kommutierungsfrequenz im offenen Regelkreis so lange, bis das Signal stark genug ist, um den Regelkreis zu schließen – in der Regel bei etwa 5 % bis 10 % der Nenndrehzahl. Pumpen und Lüfter vertragen diesen „blinden“ Anlauf. Ein Traktionsantrieb, der unter Last ab Stillstand das volle Drehmoment liefert, tut dies jedoch nicht, was den Großteil der Sensorauswahl in Serienantriebssträngen erklärt.

Woher die Drehmomentwelligkeit zu jedem Kommutierungszeitpunkt stammt

Eine Drehmomentwelligkeit bei der Kommutierung entsteht, weil der ausgehende Phasenstrom nicht mit derselben Geschwindigkeit abfällt, mit der der eingehende Phasenstrom ansteigt. Während dieser Überlappungsphase erzeugen die drei Wicklungsströme kein konstantes Drehmoment mehr, und an der Welle kommt es sechsmal pro elektrischer Umdrehung zu einem Einbruch oder einer Spitze.

Die Anstiegs- und Abfallraten werden durch die an der Wicklungsinduktivität anliegende Spannung bestimmt, und die beiden Raten stimmen nur dann überein, wenn die Gleichstrom-Sammelschienenspannung nahe dem Vierfachen der Phasen-Gegen-EMK liegt. Unterhalb dieser Drehzahl steigt der eingehende Strom langsamer an, als der ausgehende Strom abfällt, und das Drehmoment sinkt ab. Oberhalb dieser Drehzahl hält der ausgehende Strom länger an, und das Drehmoment steigt stattdessen sprunghaft an. Zu dieser Grundlinie kommen noch Ruckdrehmoment und Sensorversatz hinzu, sodass zur Trennung der Ursachen ein Modell erforderlich ist, bei dem jede Quelle unabhängig voneinander abgeschaltet werden kann.

„Eine Kommutierungsdrehmomentwelligkeit entsteht, weil der ausgehende Phasenstrom nicht mit derselben Geschwindigkeit abfällt, mit der der eingehende Phasenstrom ansteigt.“

Ein Vergleich zwischen der Sechs-Stufen-Regelung und der feldorientierten Regelung

Der Hauptunterschied zwischen der Sechs-Schritt-Regelung und der feldorientierten Regelung besteht darin, wie genau jeweils der Rotorwinkel erfasst wird. Bei der Sechs-Schritt-Regelung wird die Position in 60-Grad- Branchen en aufgeteilt und in diskreten Schritten umgeschaltet, während bei der feldorientierten Regelung der Strom kontinuierlich in einem rotorausgerichteten Bezugssystem geregelt wird.

Die Sechs-Stufen-Regelung punktet bei den Kosten und bei der Geschwindigkeit, mit der ein Student einen Fehler auf einen Schalter zurückführen kann, während die feldorientierte Regelung bei Welligkeit und Geräuschentwicklung punkten kann – allerdings auf Kosten eines schnelleren Prozessors und einer feineren Positionsquelle.

Simulationsbeispiele, die in diesem Semester tatsächlich in einem Lehrlabor durchgeführt werden können

Eine sinnvolle BLDC-Laborübung beginnt mit einem idealen Wechselrichtermodell, dem nach und nach jeweils eine Nichtidealität hinzugefügt wird. Die Studierenden führen zunächst eine Kommutierung im offenen Regelkreis durch, fügen dann eine Hall-Rückkopplung und anschließend eine Stromregelung hinzu und messen schließlich die Drehmomentwelligkeit im Verhältnis zu den Schaltzeitpunkten auf derselben Zeitachse.

• Sechsstufige Kommutierung im offenen Regelkreis bei festem Tastverhältnis, wobei die Schaltreihenfolge und das Schaltzeitpunkt bestätigt werden.
• Hall-Rückkopplung mit einem absichtlich herbeigeführten Montagefehler von 5 Grad, die verdeutlicht, wie durch Fehlausrichtung Strom verschwendet wird.
• Sensorlose Erkennung der Gegen-EMK mit einem Ausblendfenster und einer Anfahrrampe im offenen Regelkreis.
• Kommutierungsdrehmomentwelligkeit bei drei Drehzahlen um den Punkt, an dem die Busspannung dem Vierfachen der Gegen-EMK entspricht.
• Ein Fehler, wie beispielsweise eine offene Wicklung oder ein festgeklemmter Hall-Code.

Die „ Tests “ im Bereich elektrischer Antriebsstränge wurde aus den Fachgruppen in den regulären Lehrplan übernommen, und die Verkaufszahlen von Elektroautos überstiegen im Jahr 2024 die Marke von 17 Millionen. Die Durchführung dieser Übungen mit hardware im Loop verändert die Wahrnehmung der Studierenden, da ein OPAL-RT OP4512, der ein RT-LAB-Modell mit FPGA-Zeitschritten im Submikrosekundenbereich ausführt, PWM-Flanken auflöst, sodass die Stromüberlappung, die zu Drehmomentrippeln führt, als Wellenform statt als Mittelwert erscheint.

Was eine konsequente Umwandlungsarbeit in einer Steuerung bewirkt Ingenieur:innen

Ingenieur:innen Wer sich von der Schalttafel aus einen Sechs-Stufen-Antrieb aufgebaut hat, kann jedes spätere Steuerungsproblem schneller erfassen. Er weiß, wie ein Kommutierungszeitpunkt aussieht, welche Auswirkungen ein verpasster Positions Vorteil us auf die Welle hat und warum ein Drehmomentwelligkeitswert, der ohne Angabe der Drehzahl genannt wird, so gut wie nichts aussagt.

Eine bewährte Vorgehensweise ist es, vor der Abstimmung zunächst Messungen durchzuführen. Ein Student, der den Stromregler für einen unruhigen Lauf verantwortlich macht, obwohl die Hall-Platine um einige Grad verschoben ist, lernt durch eine einzige Messung mehr als durch einen ganzen Nachmittag der Verstärkungsanpassung.

Lehrlabore, in denen das Modell, der Wechselrichter und die Maschine auf einer gemeinsamen Zeitbasis betrieben werden, liefern den Studierenden Ergebnisse, denen sie vertrauen – und genau das bietet OPAL-RT für Teams im Bereich Antriebsstrangtechnik. Die mathematischen Grundlagen der feldorientierten Regelung lassen sich besser verstehen, wenn man bereits weiß, welche Funktion diese sechs Schritte hatten und warum sich die Welle nie vollkommen gleichmäßig anfühlte.